impact of synthetic wax on foaming characteristics of asphalt 35/50

JUSTYNA MRUGAŁA
Kielce University of Technology
Faculty of Civil and Environmental Engineering
e-mail: [email protected]
IMPACT OF SYNTHETIC WAX ON FOAMING
CHARACTERISTICS OF ASPHALT 35/50
Abstract
The article discusses the bituminous mixtures for low temperature production and incorporation. The results of
investigation of asphalt 35/50 modified with FT synthetic wax in the amount of 1.0% to 2.5% in increments of 0.5% are
given. It also presents the characteristics of foamed asphalt with different contents of synthetic FT wax in order to select
the optimal modifier content.
Keywords: road, foamed bitumen, mix asphalt
1. Introduction
Public awareness regarding health, environment
and safety at work has increased significantly in
recent years. Therefore, it is advisable to reduce the
amount of pollution and energy consumption during
production and incorporation of asphalt mixes. The
roads are commonly used in bituminous mixtures
produced with hot technology HMA (Hot Mix
Asphalt), which is very energy intensive due to the fact
that it is necessary to heat the mixture of ingredients:
aggregate and asphalt to the required temperature
to provide adequate viscosity of asphalt and the
appropriate level of aggregate grains surroundings.
During the production a large amount of greenhouse
gases which adversely affects the environment is
released. So for several years technologies have
been developed that lower the temperature of the
production of asphalt mixes with such technology as
WMA (Warm Mix Asphalt), the HWMA technology
(Warm Mix Asphalt Half) and CMA technology
(Cold Mix Asphalt). Schematic temperature range
of production for different types of asphalt mixes are
presented in Figure 1. There are two ways of lowering
the temperature of production and incorporation of
mineral mix asphalt:
− through measures that reduce the viscosity of
bitumen, which lowers the temperatures of the
production of mineral mix asphalt, i.e. Sasobit,
Asphaltab B, RT Cecabase etc.;
− the modification process, i.e. LT-Asphalt
Nynas, Shell WAM-Foam, LEA-Low Energy
Asphalt etc.
Fig. 1. Temperature production of asphalt mixes [3]
The fundamental differences in technology HMA
and technologies (WMA) can be counted:
− temperature reduction in producing mineral
mix asphalt for technology HMA;
− reduction in the level of aging the asphalt to the
temperature limit in the manufacturing process;
− slowdown in cooling the mixture at low
temperatures due to the small difference in
temperature in the system mixture-air;
− prolongation of the effective laying and,
thus, improvement in the quality of pavement
performance;
− reduction of cooling time to a level at which
you can enter traffic;
− improvement of the safety of workers;
− reduction of harmful emissions;
− reduction of the energy needed to bring the
asphalt binder to the desired viscosity level;
− reducing a nuisance of an asphalt plant near
inhabited areas.
5
Justyna Mrugała
2. Characteristics of foamed bitumen
In 1957 prof. L. Csanyi developed the technology
with foamed bitumen. In 1968 Mobil Oil Corporation
has patented his own method of asphalt foaming,
1991 after the expiry of patents Mobil, there was an
evaluation of technology mixed with foamed bitumen.
The physical properties of the asphalt foam is
evaluated based on two parameters [4, 9]:
− the expansion ratio (WE), which is the ratio of the
maximum volume of the foamed bitumen to the
volume of the initial asphalt, defining a multiple
increase in the asphalt during its foaming;
− half-life (t ½) is the time measured in seconds
for foamed bitumen the time for half of the
maximum volume, i.e. the difference between the
time at which the bitumen is characterized by a
maximum time of foaming, which is kept at half
maximum even after the expansion of its volume.
Between these parameters, there is a correlation
coefficient of expansion inversely proportional to the
half-life (Fig. 2).
Fig. 3. Scheme of formation of asphalt and expanding
its half-life period [9]
So far technologies developed such as WAM Foam,
LEA based on several stages of production. Diagram
of the manufacture of mixtures WAM Foam is shown
in Figure 4.
Fig. 2. Dependence of expansion of asphalt and its
half-life period, the amount of water [9]
The expansion and the half-life depend on the type
and grade of asphalt, as well as the amount of water
dispensed during foaming. The greater the degree of
expansion, the lower the viscosity of the asphalt.
The expansion and the half-life are affected by the
following factors:
− the addition of water
− the type of asphalt
− origin of asphalt
− temperature of the asphalt
− asphalt and water pressure
− additives.
A schematic diagram of the formation of the
expansion ratio and half-life time of foam asphalt is
shown in Figure 3.
Fig. 4. Schematics of the typical process conditions [6]
The production of cycle mineral mix asphalt WAM
Foam technology is shown in Figure 5.
Fig. 5. WAM Foam production cycle [6]
6
IMPACT OF SYNTHETIC WAX ON FOAMING CHARACTERISTICS OF ASPHALT 35/50
In order to produce such a mixture, a minor
modification of Plant Asphalt Mixture is necessary
by use of a device for foaming of the asphalt. Another
method of preparing compounds of the reduced
temperature is to use a synthetic wax FischerTropsch (FT). This product is a synthetic, long-chain
hydrocarbon derived from the CO2 and H2 in the
Fischer-Tropsch synthesis. It has a greater length of
the hydrocarbon chains and the crystal structure finer.
Paraffin hydrocarbon chains of naturally occurring
asphalt contain from 15 to 50 carbon atoms, while
in the FT synthetic wax, this number varies from 40
to 115 Adding to the FT wax reduces the viscosity of
the asphalt. The Figure 6 shows the FT synthetic wax
granules.
Fig. 7. Dependency of penetration of bitumen 35/50 on
the amount of F-T synthetic wax
Fig. 8. Dependency of the softening point of bitumen
35/50 on the amount of F-T synthetic wax
Fig. 6. Synthetic wax F-T granules
3. The research program
The scope of research included two stages:
I. The study of the basic parameters of asphalt and
35/50 with the addition of F-T synthetic wax:
− penetration by PN-EN 1426
− softening point by PN-EN 1427
− breaking point by PN-EN 12593.
II.Determination of foaming characteristics of
bitumen 35/50 modified synthetic FT wax:
− expansion ratio
− half-life.
In order to determine the optimum amount of wax in
the first synthetic stage is necessary to basic research
of asphalt binder 35/50 modified FT synthetic wax
in an amount of from 1.0% to 2.5% in increments
of 0.5% was conducted. Basic properties of bitumen
35/50 modified FT wax are given in Figures 7, 8, 9.
Fig. 9. Dependency of the breaking point of bitumen
35/50 on the amount of F-T synthetic wax
It can be seen that an increase in the modifier causes
an increase the softening point and at the same time
decrease in penetration. At the wax content of 2.5%
FT synthetic bitumen is characterized by penetration
of the lowest value and the highest softening point.
The next element in the stage II study was to
determine the characteristics of foamed bitumen that
have been made for bitumen 35/50, and the same
bitumen with different contents of FT synthetic wax
in order to select the optimum content of the modifier.
Figure 10 illustrates the foaming characteristics of the
asphalt content of the modifier.
7
Justyna Mrugała
a)
Table 1. Foamed bitumen parameters for the recommended
water content for foaming
Kind
of bitumen
35/50
b)
c)
35/50 + 1.0%
wax F-T
35/50 + 1.5%
wax F-T
35/50 + 2.0%
wax F-T
35/50 + 2.5%
wax F-T
WE Expansion ratio
Water
t½ Half-life, s Required
Determined
content
%
Determined Required Determined Required
3.0
10.17
8.75
3.0
11.65
10.84
2.5
12.46
2.5
14.38
15.41
2.5
15.87
16.43
10
14.68
8
Research has shown that the best parameters of
asphalt foam is characterized by 35/50 with 2.5% FT
synthetic wax for optimum amount of water of 2.5%.
4. Conclusions
Basing on the research it can be seen that the use
of synthetic wax before foaming process brings a
positive effect on the properties of foam asphalt. That
could help reduce the production and compaction
temperatures of asphalt.
References
d)
e)
Fig. 10. Characteristic of foaming bitumen 35/50
a) without the addition of F-T wax, b) addition of 1.0%
of the F-T wax, c) addition of 1.5% F-T wax, d) addition
of 2.0% of the F-T wax, e) addition of 2.5% F-T wax
On the basis of the intersection of the characteristics
of the foamed bitumen: the expansion index and the
half-life determined optimum amount of water, which
are shown in Table 1.
8
[1]Iwański M., Podbudowy z asfaltem spienionym
„Drogownictwo” 2/2006.
[2]LT-Asphalt: LT-Asfalt – Zastosowania na zimno i na
ciepło. Nyfoam, Informacja grupy produktowej, Nynas.
[3]Olard F., LEA® (Low Energy Asphalts): A new
generation of half-warm mix asphalts. The experience
of EIFFAGE Travaux Publics. EIFFAGE Travaux
Publics Research & Development Department, LEACO Technical Committee, 2007.
[4]Piłat J., Radziszewski P., Nawierzchnie asfaltowe, WKŁ,
2007.
[5]Shell Bitumen: Shell WAM FOAM PROCESS for
reducing energy consumption, and emissions, 2011.
[6]BP: WAM Foam: asphalt pavements at lower
temperatures, BP, WMA TWG, 2007.
[7]Warm Mix Asphalt, National Asphalt Pavement
Association, 2008
[8]Wirtgen: Bitumy pieniste – innowacyjne spoiwo do
budowy dróg. Wirtgen, Polska, 2005.
[9]Wirtgen: Cold Recycling Manual, Wirtgen GmbH, 2006.
The research was co-financed by the European Social
Fund within the project “Invention - the potential of young
researchers and knowledge/innovation transfer as support
to key areas of the economy of Świętokrzyskie Province,
identification number WND-POKL 08.02.01-26-020/1”
IMPACT OF SYNTHETIC WAX ON FOAMING CHARACTERISTICS OF ASPHALT 35/50
Justyna Mrugała
Wpływ wosku syntetycznego
na parametry spieniania asfaltu 35/50
1. Wprowadzenie
Świadomość społeczeństwa o ochronie zdrowia, środowiska oraz bezpieczeństwa pracy wzrosła znacząco w ostatnich latach. W związku
z tym celowe jest ograniczanie ilości zanieczyszczeń oraz zużycia energii podczas wytwarzania
i wbudowywania mieszanek mineralno-asfaltowych. W drogownictwie powszechnie stosowane są mieszanki mineralno-asfaltowe wytwarzane
w technologii na gorąco HMA (ang. Hot Mix Asphalt),
które są bardzo energochłonne, z uwagi na to, że konieczne jest podgrzanie składników mieszanki: kruszywa i asfaltu do wymaganej temperatury zapewniającej odpowiednią lepkość asfaltu i właściwy stopień
otoczenia ziaren kruszywa. Podczas ich produkcji wydzielana jest duża ilość gazów cieplarnianych, co negatywnie wpływa na środowisko. Dlatego od kilkunastu lat opracowywane są technologie obniżające temperaturę wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych, tj. technologia na ciepło WMA (ang. Warm Mix
Asphalt), technologia na półciepło HWMA (ang. Half
Warm Mix Asphalt) oraz technologia na zimno CMA
(ang. Cold Mix Asphalt). Schemat zakresu temperatury
produkcji poszczególnych rodzajów mieszanek mineralno-asfaltowych przedstawiono na rysunku 1.
Istnieją dwie możliwości obniżenia temperatury
wytwarzania i wbudowywania mieszanki mineralno-asfaltowej:
− poprzez zastosowanie środków obniżających
lepkość asfaltu, co powoduje obniżenie temperatury wytwarzanie mieszanki mineralno-asfaltowej, tj. Sasobit, Asphaltan B, Cecabase RT itd.;
− przez modyfikację procesu technologicznego,
tj. LT-Asphalt Nynas, Shell Wam-foam, LEA –
Low Energy Asphalt itd.
Do podstawowych różnic technologii na gorąco
(HMA) i technologii na ciepło (WMA) można zaliczyć [2, 3, 5, 7]:
− redukcję temperatury wytwarzania mieszanki
mineralno-asfaltowej w stosunku do technologii na gorąco (HMA);
− obniżenie poziomu starzenia asfaltu z uwagi
na ograniczenie temperatury w procesie wytwarzania;
− spowolnienie tempa wychładzania mieszanki
w warunkach niskich temperatur z uwagi na
mniejszą różnicę temperatur w układzie mieszanka–powietrze;
− wydłużenie czasu efektywnego układania i tym
samym polepszenie jakości wykonania warstwy nawierzchni;
− obniżenie czasu stygnięcia do poziomu, w którym można wprowadzić ruch;
− poprawę bezpieczeństwa pracowników;
− redukcję emisji szkodliwych gazów;
− zmniejszenie ilości energii niezbędnej do doprowadzenia lepiszcza do wymaganego poziomu lepkości;
− zmniejszenie uciążliwości wytwórni mieszanek
asfaltowych w pobliżu terenów zamieszkanych.
2. Charakterystyka asfaltu spienionego
W 1957 r. prof. L. Csanyi opracował technologię z asfaltem spienionym. W 1968 r. Mobil Oil
Corporation opatentował własną metodę spieniania
asfaltu. W roku 1991, po wygaśnięciu patentów firmy
Mobil, nastąpił rozwój technologii mieszanek z użyciem asfaltów spienionych [1].
Właściwości fizyczne piany asfaltowej oceniane są
na podstawie dwóch parametrów [4, 9]:
− wskaźnika ekspansji (WE), który stanowi stosunek maksymalnej objętości asfaltu po spienieniu do początkowej objętości asfaltu, określa wielokrotność zwiększenia się asfaltu podczas jego spienienia;
− okres półtrwania (t½) jest to czas mierzony
w sekundach dla asfaltu spienionego w chwili uzyskania połowy maksymalnej objętości,
czyli różnica między czasem, w którym asfalt
charakteryzuje się maksymalnym spienieniem
a czasem, w którym utrzymuje się jeszcze połowa maksymalnej jego objętości po spienieniu.
9
Justyna Mrugała
Pomiędzy tymi parametrami istnieje zależność,
współczynnik ekspansji jest odwrotnie proporcjonalny do czasu połowicznego życia (rys. 2).
Na współczynnik ekspansji oraz okres półtrwania
ma wpływ rodzaj i gatunek asfaltu, a także ilość dozowanej wody spieniającej. Im większy będzie stopień ekspansji, tym mniejsza będzie lepkość asfaltu.
Na wskaźnik ekspansji oraz okres półtrwania mają
wpływ następujące czynniki:
− dodatek wody
− rodzaj asfaltu
− pochodzenie asfaltu
− temperatura asfaltu
− ciśnienie asfaltu i wody
− dodatki.
Ideowy schemat kształtowania się współczynnika
ekspansji i czasu połowicznego rozpadu piany asfaltowej przedstawiono na rysunku 3. Dotychczas opracowane technologie tj. WAM Foam, LEA opierały się
na kilkuetapowej produkcji. Schemat wytwarzania
mieszanek Wam Foam przedstawiono na rysunku 4.
Cykl produkcyjny mieszanki mineralno-asfaltowej
w technologii WAM Foam przedstawiono na rysunku 5.
W celu wytworzenia takiej mieszanki niezbędna
jest niewielka modyfikacja Wytwórni Mieszanek
Asfaltowych, poprzez zastosowanie urządzenia do
spieniania asfaltu. Inną metodą wytwarzania mieszanek o obniżonej temperaturze jest stosowanie wosku
syntetycznego Fischera-Tropscha (F-T). Produkt ten to
syntetyczny, długołańcuchowy węglowodór uzyskiwany z CO2 i H2 w procesie syntezy Fischera-Tropscha.
Posiada większą długość łańcuchów węglowodorowych oraz drobniejszą strukturę krystaliczną. Łańcuchy
węglowodorowe parafin występujących naturalnie
w asfalcie zawierają od 15 do 50 atomów węgla, natomiast w wosku syntetycznym F-T liczba ta wynosi od
40 do 115. Dodanie wosku F-T do asfaltu powoduje obniżenie lepkości asfaltu. Na fotografii 6 przedstawiono
wosk syntetyczny F-T w postaci granulek.
3. Program badań
Zakres badań obejmował dwa etapy:
I. Badania podstawowych parametrów asfaltu oraz
35/50 z dodatkiem wosku syntetycznego F-T:
− penetracja wg PN-EN 1426
− temperatura mięknienia wg PN-EN 1427
− temperatura łamliwości wg PN-EN 12593.
II. Określenie charakterystyk spieniania asfaltu 35/50
modyfikowanego woskiem syntetycznym F-T:
− współczynnik ekspansji
− czas połowicznego rozpadu.
10
W celu określenia optymalnej ilości wosku syntetycznego w pierwszym etapie przeprowadzono podstawowe badania lepiszcza asfaltowego 35/50 zmodyfikowanego woskiem syntetycznym F-T w ilości
od 1,0% do 2,5% z krokiem co 0,5%. Podstawowe
właściwości asfaltu 35/50 zmodyfikowanego woskiem F-T przedstawiono na rysunkach 7, 8 i 9.
Można zauważyć, iż wzrost ilości modyfikatora
powoduje wzrost temperatury mięknienia a zarazem spadek penetracji. Przy zawartości 2,5% wosku syntetycznego F-T asfalt charakteryzuje się
najniższą penetracją oraz najwyższą temperaturą
mięknienia.
Następnym elementem badań w etapie II było
określenie charakterystyki spieniana asfaltu, które
zostały wykonane dla asfaltu 35/50 oraz dla tego
samego asfaltu z różną zawartością wosku syntetycznego F-T w celu wyboru optymalnej zawartości
modyfikatora. Na rysunku 10 zilustrowano charakterystyki spieniania asfaltu przy danej zawartości
modyfikatora.
Na podstawie przecięcia się charakterystyk asfaltu spienionego: wskaźnika ekspansji i okresu
półtrwania określono optymalną ilość wody, którą
przedstawiono w tabeli 1. Z przeprowadzonych badań wynika, że najlepszymi parametrami spieniania
charakteryzuje się asfalt 35/50 z dodatkiem 2,5%
wosku syntetycznego F-T dla optymalnej ilości
wody 2,5%.
4. Podsumowanie
Technologia asfaltu spienionego w ostatnich latach rozwinęła się znacząco w związku z wprowadzeniem wymagań w zakresie emisji gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej co sprawiło, że celowe
staje się rozwijanie technologii mieszanek niskotemperaturowych.
Z przeprowadzonych badań można zauważyć, że
zastosowanie wosku syntetycznego przed procesem
spieniania korzystnie wpływa na właściwości piany
asfaltowej, co może umożliwić obniżenie temperatury wytwarzania i zagęszczania mieszanki mineralno-asfaltowej.
„Praca współfinansowana ze środków Europejskiego
Funduszu Społecznego w ramach Projektu
„INWENCJA – Potencjał młodych naukowców oraz
transfer wiedzy i innowacji wsparciem dla kluczowych
dziedzin świętokrzyskiej gospodarki” o numerze identyfikacyjnym WND-POKL 08.02.01-26-020/1”.